怎么理解java并發(fā)編程的三個核心問題

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    總的來說，并發(fā)編程可以總結(jié)為三個核心問題：分工、同步、互斥。

    所謂分工指的是如何高效地拆解任務(wù)并分配給線程，而同步指的是線程之間如何協(xié)作，互斥則是保證同一時刻只允許一個線程訪問共享資源。java SDK并發(fā)包很大部分內(nèi)容都是按照這三個維度組織的，例如Fork/Join框架就是一種分工模式，CountDownLatch就是一種典型的同步方式，而可重入鎖則是一種互斥手段。

    1.分工

    所謂分工，類似于現(xiàn)實中一個組織完成一個項目，項目經(jīng)理要拆分任務(wù)，安排合適的成員去完成。

    在并發(fā)編程領(lǐng)域，你就是項目經(jīng)理，線程就是項目組成員。任務(wù)分解和分工對于項目成敗非常關(guān)鍵，不過在并發(fā)領(lǐng)域里，分工更重要，它直接決定了并發(fā)程序的性能。在現(xiàn)實世界里，分工是很復(fù)雜的，著名數(shù)學(xué)家華羅庚曾用“燒水泡茶”的例子通俗地講解了統(tǒng)籌方法（一種安排工作進程的數(shù)學(xué)方法），“燒水泡茶”這么簡單的事情都這么多說道，更何況是并發(fā)編程里的工程問題呢。

    既然分工很重要又很復(fù)雜，那一定有前輩努力嘗試解決過，并且也一定有成果。的確，在并發(fā)編程領(lǐng)域這方面的成果還是很豐碩的。Java SDK并發(fā)包里的Executor、Fork/Join、Future本質(zhì)上就是一種分工方法。除此之外，并發(fā)編程領(lǐng)域還總結(jié)了一些設(shè)計模式，基本上都是和分工方法相關(guān)的，例如生產(chǎn)者-消費者、Thread-Per-Message、Worker Thread模式等都是用來指導(dǎo)你如何分工的。

    了解這部分內(nèi)容，最佳的方式就是和現(xiàn)實世界做對比。例如生產(chǎn)者-消費者模式，可以類比一下餐館里的大廚和服務(wù)員，大廚就是生產(chǎn)者，負責(zé)做菜，做完放到出菜口，而服務(wù)員就是消費者，把做好的菜給你端過來。不過，我們經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)，出菜口有時候一下子出了好幾個菜，服務(wù)員是可以吧這一批菜同時端給你的。其實這就是生產(chǎn)者-消費者模式的一個優(yōu)點，生產(chǎn)者一個一個地生產(chǎn)數(shù)據(jù)，而消費者可以批處理，這樣就提高了性能。

    2.同步

    分好工之后，就是具體執(zhí)行了。在項目執(zhí)行過程中，任務(wù)之間是有依賴的，一個任務(wù)結(jié)束后，依賴它的后續(xù)任務(wù)任務(wù)就可以開工了，后續(xù)工作怎么知道可以開工了呢？這個就是靠溝通協(xié)作了，這是一項很重要的工作。

    在并發(fā)編程領(lǐng)域里的同步，主要指的就是線程間的協(xié)作，本質(zhì)上和現(xiàn)實生活中的協(xié)作沒區(qū)別，不過是一個線程執(zhí)行完了一個任務(wù)，如何通知執(zhí)行后續(xù)任務(wù)的線程開工而已。協(xié)作一般是和分工相關(guān)的。Java SDK并發(fā)包里的Executor、Fork/Join、Future本質(zhì)上都是分工方法，但同時也能解決線程協(xié)作的問題。例如，用Future可以發(fā)起一個異步調(diào)用，當主線程通過get()方法取結(jié)果時，主線程就會等待，當異步執(zhí)行的結(jié)果返回時，get()方法就自動返回了。主線程和異步線程之間的協(xié)作，F(xiàn)uture工具類已經(jīng)幫我們解決了。除此之外，Java SDK里提供的CountDownLatch、CyclicBarrier、Phaser、Exchanger也都是用來解決線程協(xié)作的問題。

    不過還有很多場景，是需要你自己來處理線程之間的協(xié)作的。

    工作中遇到的線程協(xié)作的問題，基本上都可以描述為這樣的一個問題:當某個條件不滿足時，線程需要等待，當某個條件滿足時，線程需要被喚醒執(zhí)行。例如，在生產(chǎn)者-消費者模型里，也有類似的描述，“當隊列滿時，生產(chǎn)者線程等待，當隊列不滿時，生產(chǎn)者線程需要被喚醒執(zhí)行；當隊列空時，消費者線程等待，當隊列不為空時，消費者線程需要被喚醒執(zhí)行?！?/p>

    在Java并發(fā)編程領(lǐng)域，解決協(xié)作問題的核心技術(shù)是管程，上面提到的所有線程協(xié)作技術(shù)底層都是利用管程解決的。管程是一種解決并發(fā)問題的通用模型，除了能解決線程協(xié)作問題，還能解決下面我們將要介紹的互斥問題?？梢赃@么說，管程是解決并發(fā)問題的萬能鑰匙。

    所以說，這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，關(guān)鍵是理解管程模型，學(xué)好它就可以解決所有問題。其次，了解Java SDK并發(fā)包提供的幾個線程協(xié)作的工具類的應(yīng)用場景，用好它們可以妥妥地提高你的工作效率。

    3.互斥

    分工、同步主要強調(diào)的是性能，但并發(fā)程序里還有一部分是關(guān)于正確性的，用專業(yè)術(shù)語叫“線程安全”。并發(fā)程序里，當多個線程同時訪問一個共享變量時，結(jié)果時不確定的。不確定，則意味著可能正確，也可能錯誤，事先是不知道的。而導(dǎo)致不確定的主要源頭是可見性的問題、有序性問題和原子性問題，為了解決這三個問題，Java語言引入了內(nèi)存模型，內(nèi)存模型提供了一系列的規(guī)則，利用這些規(guī)則，我們可以避免可見性問題、有序性問題，但是還不足以完全解決線程安全問題。解決線程安全問題的核心方案還是互斥。

    所謂互斥，指的是同一時刻，只允許一個線程訪問共享變量。

    實現(xiàn)互斥的核心技術(shù)就是鎖，Java語言里synchronized、SDK里的各種Lock都能解決互斥問題。雖說鎖解決了安全性問題，但同時也帶來了性能問題，那如何保證安全性的同時又盡量提高性能呢？可以分場景優(yōu)化，Java SDK里提供的ReadWriteLock、StampedLock就可以優(yōu)化讀多寫少場景下鎖的性能。還可以使用無鎖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如Java SDK里提供的原子類都是基于無鎖技術(shù)實現(xiàn)的。

    除此之外，還有一些其他的方案，原理是不共享變量或者變量只允許讀。這方面，Java 提供了Thread Local和final關(guān)鍵字，還有一種copy-on-write的模式。

    使用鎖除了要注意性能問題外，還需要注意死鎖問題。

    這部分內(nèi)容比較復(fù)雜，往往還是跨領(lǐng)域的，例如要理解可見性，就需要了解一些CPU和緩存的知識；要理解原子性，就需要理解一些操作系統(tǒng)的知識；很多無鎖算法的實現(xiàn)往往也需要理解CPU緩存。這部分內(nèi)容，需要博覽群書，在大腦里建立起CPU、內(nèi)存、I/O執(zhí)行的模擬器。這樣遇到問題就能得心應(yīng)手了。

到此，相信大家對“怎么理解java并發(fā)編程的三個核心問題”有了更深的了解，不妨來實際操作一番吧！這里是億速云網(wǎng)站，更多相關(guān)內(nèi)容可以進入相關(guān)頻道進行查詢，關(guān)注我們，繼續(xù)學(xué)習(xí)！